CN106643550A - 一种基于数字全息扫描的三维形貌测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字全息扫描的三维形貌测量装置及测量方法，包括移动测量装置和数字全息检测模块，数字全息检测模块包括一激光器，激光器出射激光束面上设有半透半反棱镜，在半透半反棱镜和激光器之间设置有空间滤波器；在半透半反棱镜半透射方向设置有一块波长选择分光棱镜，波长选择分光棱镜上方设有一激光测距仪；在半透半反棱镜上下分别设有一CCD/CMOS光电耦合器和一平面反射镜，波长选择分光棱镜的反射光路上设有待测工件。该装置通过对子测量区域三维模型进行激光测距和图像拼接，得到大型工件表面的三维形貌，记录实测，可快速重建工件表面的三维形貌，降低了仪器对移动测量装置运动精度的要求。

Description

一种基于数字全息扫描的三维形貌测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于三维形貌测量领域，涉及一种物体三维形貌测量装置，具体涉及基于数字全息扫描的三维形貌测量，利用三轴龙门式位移平台或者六轴机械臂实现扫描的装置及测量方法。

背景技术

在航空航天、武器装备以及大型工业制造领域，随着增材制造以及激光制造水平的飞速发展，工件表面精细加工能力得到了显著提升，同时对工件加工水平的高精度检测需求迫切，需要采用测量设备对工件表面的三维形貌进行快速准确测量。三维形貌测量主要分为微观三维形貌测量和宏观三维形貌测量，两者的不同点在于微观物体的表面结构是由很多微观结构单元组成，其形貌特征比宏观物体复杂得多。微观物体形貌测量需要间接或者直接借助显微测量，典型的测量设备有ZYGO公司生产的NewView800系列3D表面轮廓仪、美国vecco公司的Dektak系列探针式轮廓仪和NT系列的光学轮廓仪以及瑞士LynceeTec SA公司的数字全息显微镜，以上测量方式可以得到微米级甚至纳米级横向及纵向分辨率，测量范围较小；宏观物体形貌测量主要采用机械探针或者光学探针的方式通过测量物体表面各点的空间坐标，该类型测量设备主要包括Frao公司、Lecia公司的六自由度机械臂、蔡司公司的龙门三坐标以及V-STARS的工业摄影测量***，此类测量设备可以对几米甚至十几米的物体三维形貌进行测量，测量精度一般为几微米或几十微米。为了扩大测量范围的同时保证***测量精度，部分产品将光学探针集成于高精度的三轴龙门式位移平台，通过移动探针对大型物体的三维轮廓进行逐点扫描测量，最终拟合出物体三维形貌，该方案需要采集大量的点云数据，且物体横向分辨率同时受到点云采集间隔以及位移平台位移精度的限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于数字全息扫描的三维形貌测量装置及测量方法。该方法用数字全息测量模块替代三轴龙门式位移平台或者六自由度机械臂的测量探针，通过三轴位移平台或者机械臂带动数字全息测量模块对大型工件表面进行逐区域扫描测量，通过全息再现方法对各测量区域进行数字重建，采用图像拼接算法对子区域三维重建模型进行立体拼接，最终复原出高精度的工件表面三维形貌。

作为一种三维形貌测量的方法，本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

提供一种基于数字全息扫描的三维形貌测量装置，包括一个移动测量装置和数字全息检测模块，所述数字全息检测模块装配在一个测量装置上，数字全息检测模块在测量装置的带动下对大型工件表面区域进行测量；

所述数字全息检测模块包括一激光器，激光器出射激光束面上设有一块半透半反棱镜，在半透半反棱镜和激光器之间设置有空间滤波器；在所述半透半反棱镜半透射方向设置有一块波长选择分光棱镜，波长选择分光棱镜上方设有一激光测距仪；在所述半透半反棱镜上方设有一CCD/CMOS光电耦合器，在所述半透半反棱镜下方设有一平面反射镜，波长选择分光棱镜的反射光路上设有待测工件。

进一步，所述移动测量装置为龙门三坐标或六自由度机械臂。

进一步，所述移动测量装置与计算机控制***相连。

进一步，所述波长选择分光棱镜镀有一层选择性透反射膜，能够使全数字息模块激光器发出的光波透射，使激光测距仪发出的光波反射。

进一步，所述空间滤波器包括显微物镜和设在显微物镜上的针孔，空间滤波器的出射光路上设有一个准直镜头。

相应地，本发明给出了一种基于数字全息扫描的三维形貌测量方法，包括下述步骤：

1)移动龙门三坐标位移平台或六轴机械臂，将数字全息检测模块对准待测工件表面区域；

2)激光器经过空间滤波器滤除激光器出射光的高频成分，经过准直镜头之后以平行光束入射至半透半反棱镜；

3)经过半透半反棱镜的反射光经过平面反射镜的反射，再次经过半透半反棱镜；

4)经过半透半反棱镜的透射光经过波长选择分光棱镜后，经过待测物体的反射，再次经过波长选择分光棱镜和半透半反棱镜；

5)步骤2)、3)所述两路光束在CCD/CMOS图像传感器的表面形成全息干涉图像；

6)利用激光测距仪可测量物平面到CCD/CMOS窗口平面的距离，即记录距离d，将该记录距离d代入到物光波公式中，得到CCD/CMOS图像传感器上物光波和参考光波的干涉强度信息；

7)CCD/CMOS图像传感器将其获取的物光波和参考光波的干涉强度信息传递至计算机，计算机对所述CCD/CMOS图像传感器采集到的图像进行去噪、频谱变换、解包裹相位、三维重建以及图像拼接，即可获取大型工件表面的三维图案。

本发明的有益效果是：

此扫描式三维形貌测量装置采用数字全息测量模块，逐区域扫描检测，利用激光测距仪测量物平面到CCD/CMOS窗口平面的距离，得到CCD/CMOS图像传感器上物光波和参考光波的干涉强度信息；采用图像拼接算法对各子区域三维重建模型完成立体拼接，最终复原出工件表面的三维形貌。相比于上述逐点扫描测量效率较高，可快速完成大型工件的表面形貌测量，通过对子测量区域三维模型进行图像拼接处理，记录距离的实时测量使此装置对扫描距离无需严格控制即可快速重建工件表面的三维形貌，降低了仪器对三轴龙门式位移平台以及机械臂运动精度的要求。

附图说明

图1是装载全息模块的龙门三坐标测量仪装置图；

图2是装载全息模块的六自由度机械臂测量仪装置图；

图3是本发明用于三维形貌测量装置的数字全息模块示意图。

图1中：1是移动测量装置(龙门三坐标测量仪的三轴位移平台)，2是数字全息测量模块，3是待测工件。

图2中：1是移动测量装置(六自由度机械臂)，2是数字全息检测模块，3是待测工件。

图3中：2-1是激光器，2-2是空间滤波器，2-3是准直物镜，2-4是半透半反棱镜，2-5是平面反射镜，2-6是波长选择分光棱镜，2-7是CCD/CMOS光电耦合器，2-8是激光测距仪。

具体实施方式

下面通过附图及实施例对本发明做进一步的说明。

如图1、图2所示，该基于数字全息扫描的三维形貌测量装置，包括一个移动测量装置1(龙门三坐标或六自由度机械臂)和数字全息检测模块2。数字全息检测模块2装配在移动测量装置1上，移动测量装置与计算机控制***相连，数字全息检测模块2在移动测量装置1的带动下对大型工件表面各个区域进行测量。

如图3所示，数字全息检测模块2包括一激光器2-1，一空间滤波器2-2，一准直物镜2-3，一半透半反棱镜2-4，一平面反射镜2-5，一波长选择分光棱镜2-6，一个CCD/CMOS光电耦合器2-7和一个激光测距仪2-8。在激光器出射激光束面上设有一块半透半反棱镜2-4，在半透半反棱镜2-4和激光器2-1之间设置有空间滤波器2-2；在半透半反棱镜2-4半透射方向设置有一块波长选择分光棱镜2-6，在半透半反棱镜2-4上方设有一CCD/CMOS光电耦合器2-7，在半透半反棱镜2-4下方设有一平面反射镜2-5，波长选择分光棱镜2-6的反射光路上设有待测工件3。

波长选择分光棱镜2-6镀有一层波长选择性透反射膜，使全息模块激光器1发出的光波透射，使激光测距仪2-8发出的光波反射，以分离两光波，以免互相影响。空间滤波器2-2包括显微物镜和设在显微物镜上的针孔，空间滤波器的出射光路上设有一个准直镜头2-3，准直镜头焦距选择视具体要求决定。

激光器2-1发出一光波，经空间滤波器2-2扩束，准直镜头2-3准直后，进入半透半反棱镜2-4，反射光传播至平面反射镜2-5，经其反射后，再进入半透半反棱镜2-4，透射光经波长选择分光棱镜2-6后进入待测物体3，反射后再次透过波长选择分光棱镜2-6，进入半透半反棱镜2-4，两束光在CCD/CMOS光电耦合器2-7面上相互干涉，形成全息干涉图。

数字全息检测模块装配在移动测量装置上，作为测量探针对大型工件表面某一区域进行测量，在龙门三坐标位移平台或六轴机械臂带动下，完成对大型工件表面进行逐区域扫描测量。测量完成后，在三轴位移平台或者机械臂的带动下，移动数字全息测量探针的位置，对大型工件表面另一区域进行测量，经过扫描和测量，完成大型工件的表面检测，然后通过数字全息的再现方法对各个测量区域进行数字重建，并采用图像拼接算法对各子区域三维重建模型完成立体拼接，最终高精度复原出工件表面的三维形貌。

本发明具体方案的实现步骤：

1)移动龙门三坐标位移平台(或六轴机械臂)将全息模块对准所需测量大型工件表面区域。

2)激光器经过空间滤波器滤除激光器出射光的高频成分，经过准直镜头之后以平行光束入射至半透半反棱镜。

3)经过半透半反棱镜的反射光经过平面反射镜的反射，再次经过半透半反棱镜。

4)经过半透半反棱镜的透射光经过波长选择分光棱镜后，经过待测物体的反射，再次经过波长选择分光棱镜和半透半反棱镜。

5)上文步骤2)、3)两路光束在CCD/CMOS图像传感器的表面形成全息干涉图像。

6)利用激光测距仪可测量物平面到CCD/CMOS窗口平面的距离，即记录距离d，将该记录距离d代入到物光波公式中，得到CCD/CMOS图像传感器上物光波和参考光波的干涉强度信息；

由再现物光波公式，

U(x',y')＝F^-1{F{R(x,y)I_H(x,y)}G(f_x,f_y)}

其中，R(x,y)为参考光波，F为傅里叶变换的数学符号，I_H(x,y)为CCD/CMOS图像传感器上物光波和参考光波的干涉强度信息，G(f_x,f_y)为衍射传播在频域效应的传递函数，

式中，λ为重建光波长，一般与参考光波长一致，d′为重建距离；

重建距离d′的确定依赖于记录距离d的取值，根据实时测量到的记录距离信息作为上式中d′的取值依据，即可完成数字全息扫描的实时再现，降低了仪器对三轴龙门式位移平台或机械臂运动精度的要求。

7)CCD/CMOS图像传感器将其获取的物光波和参考光波的干涉强度信息传递至计算机，计算机对所述CCD/CMOS图像传感器采集到的图像进行去噪、频谱变换、解包裹相位、三维重建以及图像拼接，即可获取大型工件表面的三维图案。

移动测量装置中，不局限于龙门三坐标位移平台或六自由度机械臂测量装置，与本发明相关的可移动装置都在本发明的保护权限内。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，在此仅仅给出了较佳的实施例，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于数字全息扫描的三维形貌测量装置，包括一个移动测量装置和数字全息检测模块，其特征在于，所述数字全息检测模块装配在一个移动测量装置上，数字全息检测模块在移动测量装置的带动下对大型待测工件表面区域进行测量；

所述数字全息检测模块包括一激光器，激光器出射激光束面上设有一块半透半反棱镜，在半透半反棱镜和激光器之间设置有空间滤波器；在所述半透半反棱镜半透射方向设置有一块波长选择分光棱镜，波长选择分光棱镜上方设有一激光测距仪；在所述半透半反棱镜上方设有一CCD/CMOS光电耦合器，在所述半透半反棱镜下方设有一平面反射镜，波长选择分光棱镜的反射光路上设有待测工件。

2.根据权利要求1所述的一种基于数字全息扫描的三维形貌测量装置，其特征在于，所述移动测量装置为龙门三坐标或六自由度机械臂。

3.根据权利要求1所述的一种基于数字全息扫描的三维形貌测量装置，其特征在于，所述移动测量装置与计算机控制***相连。

4.根据权利要求1所述的一种基于数字全息扫描的三维形貌测量装置，其特征在于，所述波长选择分光棱镜镀有一层选择性透反射膜，能够使全数字息模块激光器发出的光波透射，使激光测距仪发出的光波反射。

5.根据权利要求1所述的一种基于数字全息扫描的三维形貌测量装置，其特征在于，所述空间滤波器包括显微物镜和设在显微物镜上的针孔，空间滤波器的出射光路上设有一个准直镜头。

6.一种基于数字全息扫描的三维形貌测量方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)移动龙门三坐标位移平台或六轴机械臂，将数字全息检测模块对准待测工件表面区域；

2)激光器经过空间滤波器滤除激光器出射光的高频成分，经过准直镜头之后以平行光束入射至半透半反棱镜；

3)经过半透半反棱镜的反射光经过平面反射镜的反射，再次经过半透半反棱镜；

4)经过半透半反棱镜的透射光经过波长选择分光棱镜后，经过待测物体的反射，再次经过波长选择分光棱镜和半透半反棱镜；

5)步骤2)、3)所述两路光束在CCD/CMOS图像传感器的表面形成全息干涉图像；

6)利用激光测距仪可测量物平面到CCD/CMOS窗口平面的距离，即记录距离d，将该记录距离d代入到物光波公式中，得到CCD/CMOS图像传感器上物光波和参考光波的干涉强度信息；

7)CCD/CMOS图像传感器将其获取的物光波和参考光波的干涉强度信息传递至计算机，计算机对所述CCD/CMOS图像传感器采集到的图像进行去噪、频谱变换、解包裹相位、三维重建以及图像拼接，即可获取大型工件表面的三维图案。

7.根据权利要求6所述的基于数字全息扫描的三维形貌测量方法，其特征在于，所述步骤6)中，利用激光测距仪可测量物平面到CCD/CMOS窗口平面的距离d，由再现物光波公式，

U(x',y')＝F^-1{F{R(x,y)I_H(x,y)}G(f_x,f_y)}

其中，R(x,y)为参考光波，F为傅里叶变换的数学符号，I_H(x,y)为CCD/CMOS图像传感器上物光波和参考光波的干涉强度信息，G(f_x,f_y)为衍射传播在频域效应的传递函数，

$G(f_x,f_y)=\exp \[j2{\mathrm{\πd}}^{\′}\sqrt{{\left(\frac{1}{\mathrm{\λ}}\right)}^2-f_x^2-f_y^2}\]$

式中，λ为重建光波长，与参考光波长一致，d′为重建距离；

重建距离d′的确定依赖于记录距离d的取值，根据实时测量到的记录距离信息作为上式中d′的取值依据。